CN101730922B - 多反射离子光学设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多反射离子光学设备，包括：静电场产生装置，其被配置以产生由静电电势的第一和第二分布Φ、Φ的叠加确定的静电场。第一分布Φ使离子接受沿飞行方向的能量聚焦，和第二分布Φ使离子接受沿一个横向方向的稳定性，使离子接受沿另一个横向方向的稳定性持续沿所述一个横向方向至少有限数目振动的时间，并使离子接受沿所述一个横向方向能量聚焦预定能量范围。

Description

多反射离子光学设备

技术领域

本发明涉及多反射离子光学设备。虽然不绝对地，本发明尤其涉及多反射飞行时间(TOF)质量分析仪；即，具有由于多次反射而增加的飞行通路的TOF质量分析仪，并且涉及包括这种TOF质量分析仪的TOF质谱仪。本发明还涉及采用离子阱形式的多反射离子光学设备；例如，使用图像流探测的静电离子阱；布置以执行离子的质量-选择性喷射的离子阱；和用作离子存储设备的离子阱。 

背景技术

原子和分子的质量的精确测量(质谱分析)是对物质化学成份定性和定量分析的最有效的方法之一。首先使用多种可用电离法(例如，电子碰撞、放电、激光辐射、表面电离、电子注入)之一对研究物质进行电离。在飞行时间(TOF)质谱仪中，使用电场从离子源提取作为离散离子脉冲的离子，并在加速后，将离子引入分析仪的飞行通路中。由于静电电场中的运动规律，具有不同质量-电荷比率(但相同平均能量)的离子的飞行时间与质量-电荷比率的平方根成比例。因此，根据其质量/电荷比率，离子被分成离散群，并能够随后由探测器记录以形成质谱。 

离子在TOF分析仪中的总飞行时间越多，质量分析的分辨能力就越好。因为这个原因，已开发了具有由于多次反射而增加飞行通路的多种类型的TOF质量分析仪。因为导致动能偏离平均值(能量扩散)的在源内的离子初始位置的扩散，并且由于导致离子束的所谓的回转时间和横向角度扩散的初始离子速度的扩散，增加离子飞行时间的同时保持离子群尺寸充分小是一项很困难的任务。为了取得具有高灵敏度的宽质量范围的质量谱，期望同时满足多种冲突条件，即：1)避免离子束轨道的循环；2)确保离子束的横向稳定性；和3)以最小的像差在探测器的表面处取得空间-能量聚焦。因为这个原因，多反射TOF(mTOF)系统的开发涉及离子光学的最优化，以增加接受程度；这是可由系统接受的相空间的体积。迄今为止，虽然每种特殊设计具有固有的优点和缺点，这个问题主要使用精细优化软件解决。 

虽然现有多反射TOF系统的接受适用于使用缓冲气体和高提取场的离子源，这种系统并不很适合直接地接受例如由矩阵辅助激光吸附/离子化(MALDI)离子源产生的具有宽能量和角度扩散的离子。 

在英国专利GB2080021(图1)中由H.Wollnik提出了多个使用多次反射的静电系统。由H.Wollnik描述的系统涉及复杂的制造过程和精心的优化。在Nazarenko等人的苏联专利SU1725289中描述了一种更简单的系统(图2)。他们的系统具有两个平行无栅离子镜以提供多次反射。离子以关于Z轴(飞行)方向很小的角度注入系统。作为离子在两个平行镜之间反射的同时沿X轴(漂流)方向相对较慢地传播的结果，从而产生具有增加飞行时间的多折的Z型的轨道。不幸地，这个系统缺乏防止离子束沿漂移方向发散的任何手段。由于初始角度扩散，该离子束的宽度可能会超过探测器的宽度，由于丧失灵敏度，使得离子飞行时间的进一步增加不切实际。 

在WO2005/001878A2中，A.Verentchikov和M.Yavor提出了一种基于两个平行平面镜的多反射系统的显著改进。由定位在镜子(图3)之间的无场区域中的一组透镜补偿沿漂移方向的角度离子束发散。如在Nazarenko的系统中，离子以关于X轴(飞行)方向较小角度注入镜子之间的空间，但该角被选择以使离子束经过一组透镜17。因此，该离子束在每次反射后被重新聚焦，并且不沿X轴(漂移)方向发散。高分辨能力来自平面镜的最佳设计，其不仅提供第三级能量聚焦，而且具有高达第二级的最小横象差。此外，与Nazarenko描述的系统相比，在WO2006/102430A2中描述的设计的优点在于：借助于透镜，它提供了沿漂移方向完全的横向稳定性。同时，透镜已知引起不可避免的像差，这减小了系统的总体接受度。 

本发明解决了现有系统的这些缺点。 

发明内容

根据本发明，提供了一种多反射离子光学设备，包括：静电场产生装置，其被配置以产生由静电电势的第一和第二相互独立的分布Φ_EF、Φ_LS的叠加确定的静电场，从而，从沿与飞行方向垂直的横向方向的离子运动分离沿飞行方向的离子运动，所述静电电势的第一分布Φ_EF使具有相同质量-电荷比率的离子经受相对于飞行方向的能量聚焦是有效的；并且静电电势的所述第二分布Φ_LS使离子具备沿一个所述横向方向的稳定性是有效的，对于使离子在沿所述一个横向方向的至少有限数目的振动期间具备沿另一个所述横向方向的稳定性是有效的，并且对于使具有相同质量-电荷比率的离子经受预定能量范围的相对于所述一个横向方向的能量聚焦是有效的。在优选实施例中，离子光学设备具有多-反射飞行时间质量分析仪形式。 

发明人已认识到，如果离子束横向稳定性和纵向能量聚焦的冲突任务通过创造静电电势的独立分布被分开处理，可以相当大地增加诸如多反射TOF质量分析仪的多反射离子光学设备的接受度。这实现了对现有多反射TOF分析仪的显著改进。本发明的离子光学设备还可用作(并具有多种独特的优点)具有包括使用傅里叶变换以获得质谱的处理的图像电流探测的离子阱，用作朝向离子控制器的离子的质量-选择性喷射(使用多种方法)的离子阱，或简单地用作离子的存储设备。 

附图说明

参照附图，本发明的实施例将仅通过实例进行描述，其中： 

图1是GB 2080021中由H.Wollnik描述的已知的轴向-对称多反射TOF质谱仪的示意图； 

图2是SU 1725289中由Nazarenko描述的已知的平面多反射TOF质谱仪的示意图； 

图3是WO2005/001878A2中由Verentchikov和Yavor描述的已知的平面多反射TOF质谱仪的示意图； 

图4显示了沿根据本发明的离子光学设备的横向X轴方向的静电势 分布φ(x)的示例； 

图5显示了根据本发明的离子光学设备的电极结构示例； 

图6显示了根据本发明的离子光学设备的沿横向X轴方向的静电势分布φ(x)的另一个示例； 

图7显示了作为图6的分布φ(x)的能量函数的沿X轴方向的振荡半衰期的变化； 

图8A、8B和8C分别显示了具有图6中显示分布φ(x)的根据本发明的离子光学设备的XY、YZ和XZ平面中的离子轨道； 

图9显示了具有内部装配的离子源的电极结构。 

具体实施方式

该TOF方法要求类似质量-电荷(m/e)比率的离子脉冲的时间周期(δt)在它们到达探测器表面时尽可能短。这是因为由下式给出质量分析(R_m)的分辨能力：R_m＝0.5·T/δt，其中，T是飞行时间。在TOF质谱仪(例如MCP或Dynode电子倍增器)中使用的探测器通常具有离子到达的平坦表面，产生几个二次电子，然后由电子倍增器增加。因此，该记录系统实际探测当离子到达探测器表面时电子的脉冲。许多类似质量的离子可在稍有不同的时刻到达，从而在质谱仪中产生平均峰值。为了减小(δt)，期望确保离子群沿与探测器表面垂直的方向尽可能地窄，同时沿其它方向，该脉冲能够与探测器同样宽。由此得出结论，期望确保从离子源喷射的离子脉冲关于沿离子轨道的方向之一变窄(即空间-能量聚焦)。该方向将被进一步称作“飞行方向”。与飞行垂直的方向将被称作“横向方向”。在下面的描述中，采用笛卡尔坐标系统，Z轴方向将称作“飞行方向”，并且相互垂直的X和Y轴方向将称作“横向方向”。 

沿横向方向要求离子束保持比探测器的宽度更窄。由于初始离子速度沿横向方向的扩散，离子趋向于沿飞行方向横向地扩散，并且在许多现有TOF质量分析仪中，离子束可变得比探测器相当宽，因此损害分析的灵敏度。在离子飞行时间由于多次反射增加的TOF系统中，确保离子束的横向稳定性是必要的。根据本发明，这通过使用特殊设计的静电场重新聚焦离子束来实现。为了当前描述的目的，沿具体方向(即，Y方向) 的离子运动的“稳定性”被限定为要求粒子位置保持在特定边界内，即，y_min＜y＜y_max。如果这对于无限时间是真实的，则稳定性被认为是“基本的”；否则，如果这种情况仅适用于有限时间周期，则稳定性被认为“边界的”。例如，由于能量守恒特性，离子在一维电势内的振荡很好地展示了“基本的”稳定性。虽然这不是严格限制，在两个横向(X-Y-轴)方向的基本稳定性是优选的，并且“边界的”稳定性也可接受。应该理解到，振荡稳定性并不等于“能量同步”属性。后者要求从相同位置以不同初始能量同时出发的离子将全部在大致相同时刻到达另一位置(称作聚焦点)。该属性通过参照作为离子能量函数的飞行时间的下述Taylor级数展开而进一步说明： 

T(K)＝T₀+A_k+1(K-K₀)^k+1+A_k+2(K-K₀)^k+2+....(1) 

在这里，T₀是能量K₀的离子的飞行时间；并且系数A_k是常量。如从等式1可看出，前几项等于零，即A₁＝A₂＝...＝A_k＝0。在这种情况中，该系统称作与k-th级能量-同步；更确切地说，对于k-th级，该飞行时间T₀独立于能量K。对于具有二次电势分布的系统，所有系数A_k为0。这种系统被称作显示“理想的”空间-能量聚焦的系统。值得一提的是，即使离子运动缺乏稳定性，系统能够能量同步，并且已知反射TOF系统是这个的示例。 

迄今，已证明同时满足离子脉冲的横向稳定性和离子脉冲关于飞行方向的能量聚焦的要求很困难，并且这个问题通常使用精密优化软件解决。这种优化的“品质因数”以沿相互垂直的横向(X-Y-轴)方向的接受度(即，相位空间中的区域)和沿(Z-轴)飞行方向的可以获得可接受的分辨能力的最大能量扩散ΔK/K的术语来表示。虽然在WO2005/001878A2中由Verenchikov和Yavor描述的系统被报导在沿每个横向方向的接受度高如10πmm*mrad并且沿飞行方向能量扩散5％的情况下已取得30,000的最大分辨能力，典型地，倘若接受度沿两个横向方向不大于约1mm*20mrad并且能量扩散不大于百分之几，在迄今已知的系统中已经实现几万的分辨能力。 

本发明人已实现通过场结构的适当选择将沿飞行方向聚焦能量和横向稳定性的冲突要求分为两个独立的子系统，可以相当大地增加诸如多反射TOF质量分析仪的多反射离子光学设备的接受度。例如，这可以使用由包括以下两部分的静电电势的分布限定的静电场实现： 

Φ(x，y，z)＝Φ_EF(x，y，z)+Φ_LS(x，y，z)       (2) 

在这里，该静电电势Φ(x，y，z)满足拉普拉斯(Laplace)公式，同时函数Φ_EF(x，y，z)和Φ_LS(x，y，z)采用通常形式。根据本发明，场Φ_EF负责沿(Z-轴)飞行方向的能量聚焦，并且场Φ_LS确保沿两个横向(X-，Y-轴)方向的离子束稳定性。 

首先考虑能量聚焦的要求，使用以下形式的“四极”场，可以取得沿Z-轴的无限能量范围的理想能量聚焦： 

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{EF}}(y,z)=V_z\frac{z^2-y^2}{l^2}---\left(3\right)$

其中，V_z是静电电势的量值，并且l是特征距离。该电势分布具有沿Z-轴方向的二次相关性，并且沿该方向的质量m和电荷e的离子的运动公式如下： 

$m\frac{d^{2}z}{{\mathrm{dt}}^2}+2e\frac{V_z}{l^2}z=0---\left(4\right)$

这个等式的解是具有长期频率的正弦函数 

${\mathrm{\Ω}}_z=\sqrt{\frac{{2\mathrm{eV}}_z}{{\mathrm{ml}}^2}}---\left(5\right)$

该正弦函数的量值和相位取决于离子的初始状态。为了我们的目的，我们需要考虑同时从相同位置z₀但具有不同初始速度v₀出发的粒子；更确切地说， 

$z\left(t\right)=z_0\cos \mathrm{\Ωt}+\frac{v_0}{\mathrm{\Ω}}\sin \mathrm{\Ωt}---\left(6\right)$

可以容易地看出，在每个完整的周期循环T_z＝2π/Ω_z以后，离子与其初始速度无关地精确地返回到相同位置z₀。因此，总的飞行时间与离子能量无关。这种由四极场显示的“理想能量聚焦”属性在TOF质谱分析中已知很长时间。在US 4,625,112中，Y.Yoshida描述了四极场的这种属性如何可开发以从一组圆形隔膜设计用于TOF的离子镜。不幸地，在本领域还已知，在由等式3限定的形式的四极场中离子的横向运动是不稳定 的。通过研究沿y方向的离子运动，这能够容易地从等式3看出。这就是Y.Yoshida描述的设计基本具有很少实用性的原因，并且特别地不适合于使用多次反射的TOF质量分析仪。这个实例还表明同时地满足在宽能量范围上聚焦的空间-能量和横向稳定性的冲突要求存在困难。 

SU 1247973 A1教授了一种设计具有沿Z-轴方向的二次电势分布的静电场同时保持沿横向方向之一的离子束稳定性的方法。这种场具有围绕Z-轴的轴向对称性，并且由下述形式的电势函数(以极坐标表示)表示： 

$\mathrm{\Φ}(z,\mathrm{\ρ})=V_z[\frac{z^2}{l^2}-0.5\frac{{\mathrm{\ρ}}^2}{l^2}+\mathrm{\μ}\·\ln \left(\frac{\mathrm{\ρ}}{l}\right)],$ $\mathrm{\ρ}=\sqrt{x^2+y^2}---\left(7\right)$

在这里， 和 

在适当选择无因次恒量μ的情况下，可能确保径向运动至少对于一些(相当宽)横向速度扩散是稳定的。同时，因为等式7的电势分布不取决于方位角γ，在这个系统中的离子束沿方位方向不可控制地扩大。由于这种缺点，在本领域中称作“Orbitrap”的这种特殊设计无法有效地用于多反射TOF质量分析仪应用。 

如已经说明，由等式3确定的静电电势分布Φ_EF(z，y)提供了对于沿(Z轴线)飞行方向的非限制能量范围的理想能量聚焦。同时，在这个电势中的横向运动是不稳定的。考虑到缓解这个问题，静电电势的分布Φ_LS被配置以确保离子束的侧向稳定性在宽的接受度内。为此，Φ_LS被配置为静电电势的平面分布Φ_LS(x，y)的2D，使得横向离子运动(在X-Y平面中)完全地从沿(Z-轴线)飞行方向的离子运动分开，并且能够被分开地研究。在这种情况中，沿横向方向的运动等式如下： 

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+e\frac{{\∂\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LS}}}{\∂x}=0---\left(9a\right)$

$m=\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}-2e\frac{V_z}{l^2}y+e\frac{{\∂\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LS}}}{\∂y}=0---\left(9b\right)$

对于进一步研究，适合采用以“y”的幂级数扩大的形式表示电势函数Φ_LS(x，y)。由于离子运动发生在接近平面y＝0的窄片段内的事实，这种理论方法对于研究的系统十分理想。对于调和函数，这种扩大如下(例如参见P.W.Hawkes，E.Kasper，“Principles of Electron Optics”，Academic Press，London，vol.1，1996，pp.90，91)： 

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LS}}=\mathrm{\φ}\left(x\right)-\frac{y^2}{2}{\mathrm{\φ}}^{\′\′}\left(x\right)+\frac{y^4}{24}{\mathrm{\φ}}^{\left(4\right)}\left(x\right)-\frac{y^6}{720}{\mathrm{\φ}}^{\left(6\right)}\left(x\right)+...---\left(10\right)$

等式10则被代入运动公式(9)。在用于沿X-轴方向运动的等式9a中，达到第一级中的项目被忽略。因此，结果的运动等式如下： 

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+e\frac{\mathrm{d\φ}\left(x\right)}{\mathrm{dx}}=0---\left(11\right)$

等式11描述了由函数φ(x)确定的电势阱中的离子运动。电势分布φ(x)根据下述准则选择： 

1.离子应在电势阱中沿X轴方向执行稳定振荡。 

2.沿横向X-轴方向的振荡周期应该在接近K_xo的特定能量范围内大致独立于粒子动能K_x。 

3.离子沿垂直Y-轴方向的振荡应该是稳定的，优选地对于无限时间或至少对于沿X-轴方向的大量振荡。 

函数φ(x)总能够以满足那些要求的方式选择；例如，图4中所示形式的电势函数φ(x)。在电势阱内，离子在具有恒定能量K_xo的转向点x₁与x₂之间经历稳定周期振荡。通过适合地优化电势函数φ(x)，对于接近K_xo的一些能量范围，振荡周期T_x可以大致独立于动能K_x。在这种情况中，在沿横向X-轴方向的每次反射后，相似质量但不同能量的离子将被能量聚焦，这意味着如果能量扩散足够小，那么沿X-轴方向的离子束的横向尺寸将对于许多反射保持有限。 

关于沿Y-轴方向的稳定性，考虑y中的二阶项，运动等式如下： 

$m\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}-e[2\frac{V_z}{l^2}+{\mathrm{\φ}}^{\′\′}\left(x\right)]y=0---\left(12\right)$

在这里，电势分布的二阶导数φ″(x)是离子沿X-轴线的位置的函数。对于具有标称能量K_x的离子，x随着时间t的变化由等式11以如下方式 取得： 

$t-t_0=\sqrt{2}\underset{x_0}{\overset{x}{\∫}}\frac{\mathrm{dx}}{\sqrt{K_x-\mathrm{\φ}\left(x\right)}}---\left(13\right)$

等式13使离子在X轴上的位置根据飞行时间x＝f(t)表示，其中，f(t±T_x)＝f(t)。因而断定，等式12描述了在周期电势中的离子运动。这种运动理论已得到广泛研究(为检查具有不同信号和稳定状态的稳定图，例如参照M.Sudakov，D.J.Douglas，N.V.Konenkov，“Matrix Methods forthe Calculation of Stability Diagrams in Quadrupole Mass Spectrometry”，JASMS，2002，v.13，pp.597-613)。已知在对应于粒子的稳定运动的等式参数的空间中存在广阔区域。对于本发明，这种稳定运动区域的存在至关重要。 

一个根据本发明的实例使用由下述解析函数的组合确定的XY平面中的静电电势Φ_LS(x，y)的2D分布： 

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LS}}(x,y)=-{\mathrm{kx}}^2-(1-k)y^2+$

其中： 

$s_1=-\frac{\sin 2\mathrm{ay}}{2(\cos 2\mathrm{ay}+\cosh 2a(x-b))},$

$s_2=\frac{1}{2}+\frac{\sinh 2a(x-b)}{2(\cos 2\mathrm{ay}+\cosh 2a(x-b))}---\left(15\right)$

公式(14)、(15)的系数在表1和2中给出。 

表1 

i	Ai	ai	bi	ci	xi
						0	B/h2	3	H	-h2	0
1	-B/h2	3	-h	-h2	0
						2	-A/b2	3	-b	-b2	h+b
3	-A/b2	-3	B	-b2	-h-b

[0067]  表2 

A	b	B	H	k
					50	3	30	2	0

由具有表1和2中给出系数的等式14和15的函数所限定的系统来实现本发明并不是唯一的。其它变量也是可能的。 

注意到，在这里并在多数下述讨论中使用无因次单位：能量以eV_z为单位表示；并且距离以l为单位表示。那就是等式14和15没有对应恒量的原因。飞行时间以 

为单位表示。图5显示了适合建立这种电场配置的电极结构示例。 

图6显示静电电势沿这个系统(在Z＝0处)的X-轴方向的分布。如图7所示，模拟显示在这种电势中沿X-轴方向的离子振荡的半衰期取决于能量。接着，在约W_x＝7.8units的能量时，该系统具有一阶聚焦属性(dT/dK＝0)。对于这种情况，等式12的研究还显示，对于宽的范围的初始状态，沿Y-轴的离子运动是稳定的。图8显示了在该系统中离子群的轨道。离子束以关于Z-轴45°的平均角度注入，具有W_x+W_z＝15.6units的总能量。作为这种注入的结果，离子束沿X-轴和Z-轴具有7.8单位的平均能量。该值对应于沿X-轴方向离子运动的同步点。离子群具有1.6单位的总能量的均匀分布，其对应于10％的相对能量扩散。注入角均匀地分布在44°与46°之间(即，角度扩散+/-1°)，同时，这种扩散沿Y-轴是从-10°到+10°。为了说明的目的，离子的轨道仅在50倍单位上进行计算，其对应于沿X-轴方向约16次完整振荡和沿Z-轴方向约11次振荡。如图8可以看出，离子群在整个轨道保持合理紧凑。在一个实际示例电势中，V_z被设置为100V，其导致312eV的总飞行能量。比例参数的长度被设置在l＝40mm，其导致沿Z-轴+/-120mm和沿X-轴+/-140mm的轨道。单电荷离子以10％能量的相对扩散、在XZ平面中+/-1°角度扩散和在XY平面中+/-5°角度扩散注入。在沿X-轴方向20次完整反射(780μs的总飞行时间)后，沿X-轴的云尺寸小于14mm。该尺寸比典型探测器(20mm)的尺寸更小，并且可与如将描述可设置在系统中的出口狭缝的尺寸相比。重 要地，因为由静电电势的分布Φ_EF实现理念能量聚焦，沿(Z-轴线)飞行方向的飞行时间的扩散与初始离子脉冲的持续时间相同。甚至在不用使用碰撞冷却的情况下，用于1000Da离子的小于10ns持续时间的脉冲能够容易地由现代离子源产生。因此，用于期望的模拟的质量分辨能力估计为R＝0.5*780000ns/10ns＝39000。 

虽然能量扩散能够对于(Z-轴)飞行方向无限，可接受的能量扩散对于X-轴方向受限，并且为此，说明估计为10％。该系统沿Y-轴方向的接受度被发现为10mm*10°或1745mm*mrad。沿X-轴方向的接受度被估计为10mm*2°或350mm*mrad。这些估计是比迄今报导的值更高的量级，同时实现类似的分辨力。 

如已说明，离子光学设备的电极结构可具有图5中显示的形式。它包括一组弯曲电导电极，包围通过将对应的DC电压应用于电极所产生的具有特定属性的静电场的体积。根据物理规律，静电场中离子的总体机械能量是守恒量。这意味着如果离子经电极之一中的孔注入，它们将最终取得相同的静电电势；换言之，它们将碰撞相同的电极。这个原理能够被使用以将离子从外部来源注入电极结构，并经电极之一中的孔，将离子从电极结构喷射到探测器。可选地，关闭一个或多个电极同时离子被注入电极结构或从电极结构喷射总是简单地可能的。 

一种用于将离子注入电极结构的可选布置包括容纳在其结构的体积内的离子源S。该离子源可包括支撑图9中所示样本的金属柱P。通过将样本暴露于激光脉冲产生离子，并且使用静电提取场拖到飞行通路上。这种方法特别适合用于利用矩阵辅助激光解吸附/离子化(MALDI)的源。已知由MALDI源产生的离子具有类似于在约800m/s的平均速度和独立于质量的+/-400m/s的速度扩散情况下从样本表面剥离的中性粒子的速度的初始分布。对于重离子，这种速度对应于极高的能量：Kz[eV]∝3.13·M[kDa](在这里，对于单电荷离子，质量采用[kDa])和实质能量扩散。此外，MALDI离子具有沿与样本表面垂直的方向的极宽角度扩散(高达+/-60°)。通过使用均匀加速，角度扩散能够得到明显减小，使得它将与提出系统的接受度匹配。例如，对于1000Da单电荷离子，横向能量为3.13eV。在加速到1200eV后，这种扩散减小到2°。这种扩 散对于上述系统的Y-轴方向可接受，并且对于X-轴方向绰绰有余。在更高质量离子的情况中，可能需要加速到更高飞行能量。该加速能够利用金属取样板与从样本表面以某一距离放置的栅格之间的电势差产生。本领域的那些技术人员将认识到延迟提取以减小碎裂。 

提出的系统的接受度沿X-轴和Y-轴横向方向不对称。这种属性适用于基于线性离子阱(LIT)的一些先进离子源，离子云沿离子阱轴伸长。在这种源中，能够使用碰撞冷却以减小发射率。与3D离子阱源和MALDI相比，LIT源具有大得多的电荷容量。考虑这个，在本发明的另一个实施例中，该离子光学设备具有离子阱的形式，使用图像电流探测以响应离子阱内的离子运动产生质谱。 

由于沿Z-轴(飞行)方向聚焦的理想能量，对于许多(实际上百万)振荡，类似m/z的离子群不会沿轨迹扩散。已知带电粒子在接近电极上产生表面电荷。由于离子阱内的离子云振荡，所产生的电荷在连接到包围飞行区域的一对电极的电路中产生交流电。这种电流能够由灵敏的电流计测量和记录。由于二次电势中的离子碰撞的频率与m/z平方根成反比的事实，时域信号的傅立叶变换(FT)将显示样本的质谱。因此，根据本发明的离子光学设备能够用作使用图像电流探测和FT处理的静电离子阱。 

在本发明的另一实施例中，该离子光学设备具有离子阱存储设备的形式。对于这个实施例，在设备的静电场内的离子运动优选地展示基本的稳定性，其意味着，在实际中，对于选定范围的初始能量和注入角，离子的运动保持有限，并且限制在无限长时间的特定体积内。这种属性使离子光学设备能够用作离子阱存储设备。例如，如果完全落入设备的能量接受窗口内的具有能量扩散的离子束以确保运动稳定性的初始条件注入，那么，然后离子将在设备的有限体积内进行稳定运动，从那里，它们能够被喷射到用于操纵或质量分析的另一设备。由于不同能量的离子碰撞的周期的差别，离子云随着时间的推移将完全占用稳定运动的体积。这不是使用离子存储的设备的阻碍。如果向下游转移，使用本领域已知的技术，离子云能够被冷却下来和分离。离子可从存储体积丢失的唯一方式应该是由于通过剩余气体的中性粒子和/或离子的空间电荷相互作用的散射。对于散射，残余气体的压力能够总变得充分小，以允许在 存储期间最小损失。本领域已知多于几分钟的离子约束。对于空间电荷相互作用，如果这变为明显的因素，则注入存储设备内的离子总数可一直减小，使得空间电荷相互作用并没有防止捕获。在静电场中离子约束的实验数据指示，通过产生类似质量的离子聚束，空间电荷相互作用更容易改进在存储设备中的离子约束。所以，对于提出的类型的离子阱存储设备，空间电荷效应并不总是不利的。 

描述的优选实施例期望仅为示例，并且不被理解为限制。权利要求范围内的可选实施例对于本领域的技术人员或普通技术人员是可想象的。 

Claims (16)

1.一种多反射离子光学设备，包括：静电场产生装置，所述静电场产生装置包括电极和电压施加单元，所述电压施加单元将电压施加到电极以产生由静电电势的第一和第二相互独立的分布Φ_EF、Φ_LS的叠加所限定的静电场，由此，沿飞行方向的离子运动从沿与所述飞行方向垂直的第一横向方向和第二横向方向的离子运动分离，所述静电电势的第一分布Φ_EF对于使具有相同质量-电荷比率的离子经受相对于飞行方向的能量聚焦是有效的，并且静电电势的所述第二分布Φ_LS对于使离子具备沿所述第一横向方向的稳定性是有效的，对于使离子在沿所述第一横向方向的至少有限数目的振动期间具备沿所述第二横向方向的稳定性是有效的，并且对于使具有相同质量-电荷比率的离子经受预定能量范围的相对于所述第一横向方向的能量聚焦是有效的，其中所述静电电势的第一分布Φ_EF满足公式

其中y表示沿Y轴的横向方向的距离，z表示沿z轴的距离，V_z是静电电势的量值，并且l是特征距离。

2.如权利要求1所述的离子光学设备，其中：静电电势的所述第一分布Φ_EF对于使具有相同质量-电荷比率的离子经受相对于所述飞行方向的能量聚焦是有效的。

3.如权利要求1所述的离子光学设备，其中：静电电势的所述第二分布Φ_LS具有形式：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LS}}=\mathrm{\φ}\left(x\right)-\frac{y^2}{2}{\mathrm{\φ}}^{\′\′}\left(x\right)+\frac{y^4}{24}{\mathrm{\φ}}^{\left(4\right)}\left(x\right)-\frac{y^6}{720}{\mathrm{\φ}}^{\left(6\right)}\left(x\right)+...$

其中，x和y分别表示沿相互垂直的X和Y轴横向方向的距离；φ(x)表示作为沿X轴方向距离x的函数的静电电势的分布；并且φ^(″)(x)、φ⁽⁴⁾(x)和φ⁽⁶⁾(x)分别是关于距离x的φ(x)的二阶、四阶和六阶导数。

4.一种如权利要求1或权利要求2所述的离子光学设备，其中：静电电势的所述第二分布Φ_LS具有由这里描述的等式14和15确定的形式，

其中等式14为： ${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{LS}}(x,y)=-k{x}^2-(1-k)y^2+$

其中等式15：为

其中x和y分别表示沿相互垂直的X和Y轴横向方向的距离，i，Ai，ai，bi，ci，xi，b，k均为给出的系数，a，c为公式中的系数。

5.根据权利要求1所述的离子光学设备，具有多-反射飞行时间质量分析仪形式。

6.根据权利要求1所述的离子光学设备，具有离子阱形式。

7.一种如权利要求6所述的离子光学设备，其中：所述离子阱包括图像电流探测装置，用于响应离子阱中的离子运动产生质谱。

8.一种如权利要求6所述的离子光学设备，其中：所述离子阱被布置以执行质量-选择性离子喷射以产生质谱。

9.一种如权利要求6所述的离子光学设备，其中：所述离子阱是离子阱存储设备。

10.根据权利要求1所述的离子光学设备，包括：离子源，所述离子源装配在所述静电场产生装置的电极结构上，并且由所述静电场产生装置的电极结构包围。

11.一种如权利要求10所述的离子光学设备，其中：所述离子源是矩阵辅助激光吸附/离子化离子源。

12.一种如权利要求10所述的离子光学设备，包括：利用经电极结构的电极中的开口引入的激光辐射的脉冲照射离子源的装置。

13.一种飞行时间质谱仪，包括：用于供应离子的离子源；用于分析由所述离子源供应的离子的如权利要求5所述的多-反射飞行时间质量分析仪；和探测器，用于以在离子已由多-反射飞行时间质量分析仪根据质量-电荷比率分离后的基本相同时间，接收具有相同质量-电荷比率和不同能量的离子。

14.根据权利要求13所述的离子光学设备，包括：离子源，所述离子源装配在静电场产生装置的电极结构上，并且由所述静电场产生装置的电极结构包围。

15.一种如权利要求14所述的离子光学设备，其中：所述离子源是矩阵辅助激光吸附/离子化离子源。

16.一种如权利要求14所述的离子光学设备，包括：利用经电极结构的电极中的开口引入的激光辐射的脉冲照射离子源的装置。

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